2023年高中物理竞赛教程气体实验定律.doc

1-2 气体实验定律 121、玻意耳定律、玻意耳定律 一定质量的气体，当温度保持不变时，它的压强和体积的乘积是一个常数CPV，式中常数 C 由气体的种类、质量和温度决定。抽气与打气问题的讨论。简朴抽气机的构造由图 1-2-1 示意，它由一个活塞和两个阀门组成。当活塞向上提高时，a 阀门打开，贮气筒与抽气机相通，气体膨胀减压，此时 b 阀门被关闭。当活塞向下压缩时，b 阀门打开，a 阀门关闭，抽气机内的气体被压出抽气机，完毕一次抽气。贮气筒被抽气的过程，贮气筒内气体质量不断在减小，气体压强也不断减小。设第一次抽气后贮气筒内气压1p，第 n 次抽气后贮气筒内气压np，则有：)(1VVppV)(21VVpVp)(1VVppnn 整理得 pVVVpnn)(简朴压气机与抽气机的结构相似，但作用相反。图 1-2-2 示意，当活 塞上提时，a 阀门打开，b 阀门关闭，外界空气进入压气机中，活塞下压时，压气机内空气被压入贮气筒，而此时阀门 a 是关闭的，这就完毕了一次压气过程。每次压气机压入贮气筒的气体是 Vp0，故0pVVnppn 122、盖、盖吕萨克定律吕萨克定律 一定质量的气体，当压强保持不变时，温度每升高 1，其体积的增长量等于PV V b a图 1-2-1 PV V ab 图 1-2-2 0时体积的2731。若用0V表达 0时气体的体积，V 表达 t的体积，则)2731(0lVV。若采用热力学温标，则 273+t 为摄氏温度 t。所相应的热力学温度 T，273 为 0所相应的热力学温度0T。于是，盖吕萨克定律可写成00TTVV。若温度为 T 时，体积为1V；温度为2T时，体积为2V，则有 2211TVTV或CTV。故盖吕萨克定律也可表达为：一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积与热力学温标成正比。123、查理定律、查理定律 一定质量的气体，当体积保持不变时，它的压强与热力学温度成正比 CTP 式中常数 C 由气体的种类、质量和体积决定。汞柱移动问题的讨论：一根两端封闭、粗细均匀的石英管，竖直放置。内有一段水银柱，将管隔成上下两部分。下方为空气，上方为一种可分解的双原子分子气体。该双原子分子气体的性质为：当T0T时，其分子开始分解为单原子分子(仍为气体)。用0n表达0T时的双原子分子数，n表达TT0时分解了的双原子分子数，其分解规律为当T 很小时，有如下关系：00TTnn。已知初始温度为0T，此时下方的气柱长度为02l，上方气柱长度为0l，水银柱产生的压强为下方气压的倍10。试讨论当温度由0T开始缓慢上升时，水银柱将上升还是下降。假设水银柱不动。当温度为0T时，下方气体压强为0p，温度升至TT0，气体压强)1(001TTpp。水银柱压强为0ap，故当 T=0T时，上方气体压强为0)1(p，当温度升至TT0，有n个双原子气体分子分解为n2个单原子气体分子，故气体分子数由0n增至nn0个。令此时压强为2p，管横截面积为 S，则有：0000)1(RTNnSlp)(0002TTRNnnSlp 解得 20002)1()1()1()1()1(TTpTTnnpp 00011TTpppp，0002)2()1(TTTTpp 2000012)()1()21(TTpTTpppp 因T 很小，故0TT项起主导作用，而20)(TT项的影响较之第一项要小得多，故从分析如下：当21时，p0 时，水银柱上升，当21时，p0水银柱下降。当=21时，p0 水银柱下降。以上三个实验定律只能反映实验范围内的客观事实，它们都具有一定的近似性和局限性。对于一般的气体，只有当压强不太大，温度不太低时，用三个定律求出的结果与实验数据才符合得很好。假如压强很大或温度很低时，用这三个定律求出的结果与实验结果就会有很大的偏差。124、抱负气体、抱负气体 它是可以准确遵守气体实验定律的一个气体的理论模型。对查理得律，设 P 和0P分别表达Ct和C0时气体压强，则有)1(0tPPp，15.2731p 对盖吕萨拉定律，设V和0V分别表达Ct和C0时气体的体积，则有)1(0tVVt，15.2731v 对抱负气体，有 15.2731vp 例 1、一个质量 m=200.0kg、长0l=2.00m 的薄底大金属桶倒扣在宽旷的水池底部(图 1-2-3)桶内的横截面积2500.0mS(桶的容积为Sl0)，桶自身(桶壁与桶底)的体积3301050.2mV，桶内封有高度ml200.0的空气，池深mH00.200，大气压强mP00.100水柱高，水的密度33/1000.1mkg，重力加速度 g 取2/00.10sm。若用图中所示吊绳将桶上提，使桶底能到达水面处，则绳拉力所需做的功有一最小值，试求从开始到绳拉力刚完毕此功的过程中，桶和水(涉及池水和桶内水)的机械能改变了多少(结果要保存三位有效数字)。不计水阻力，设水温很低，不计其饱和蒸气压的影响，并设水温上下均匀且保持不变。解：在上提过程中，桶内空气压强减小，体积将增大，从而对桶和桶内空气(空气质量不计)这一整体的浮力将增大。本题若存在桶所受浮力等于重力的位置，则此位置是桶的不稳定平衡点，再稍上提，浮力将大于重力，桶就会上浮。从这时起，绳不必再拉桶，桶会在浮力作用下，上浮到桶底到达水面并冒出。因此绳对桶的拉力所需做的最小功的过程，就是缓慢地将桶由池底提高到浮力等于重力的H L 图 1-2-4 Po Lo 图 1-2-3 n0 位置所历的过程。下面先看这一位置是否存在。假如存在的话，如图 1-2-4 所示，设在此位置时桶内空气的高度为l，因浮力等于重力，应有 gVslmg)(0 (1)代入已知数据可得 ml350.0 (2)设此时桶的下边沿距池底的高度 H，由玻马定律可知 lllHHPlllHP)()(000000 (3)由(2)、(3)式得到 H=12.24m (4)由于 H)(00lH，即整个桶仍浸在水中，可知存在上述浮力等于重力的位置。现在规定将桶由池底缓慢地提高到 H 处桶及水的机械能的增量E。E 涉及三部分：(1)桶势能的增量1E；(2)在 H 高时桶自身排开的水可看作下降去填充在池底时桶自身所占空间而引起水势能的增量2E；(3)在 H 高度时桶内空气所排开的水，可看作一部分下降去填充在池底时空气所占的空间，由于空气膨胀的那部分上升到水池表面，由此引起水势的增量3E。则 mgHE 1；gHVE02；)2/g(l)()2/(0003llHSgHllSLLsLgE。321EEEE 2/)()()(2000lllHllSggHl svm 2/)()(2200lllHllSg J41037.1